(57)【要約】【課題】  この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、排出ガスの空燃比を精度良く目標空燃比に一致させることを目的とする。【解決手段】  吸気が開始される時点での筒内残留燃料量frを算出する手段を設ける。筒内残留燃料量frに基づいて、筒内から排出される排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFRとなるように、筒内流入要求燃料量fcを算出する手段を設ける。燃料噴射弁２４による燃料噴射量fiを、筒内流入要求燃料量fcに基づいて算出する手段を設ける。【選択図】      図３
2006017051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気が開始される時点での筒内残留燃料量を算出する残留燃料量算出手段と、
前記筒内残留燃料量に基づいて、筒内から排出される排出ガスの空燃比が目標空燃比となるように、筒内流入要求燃料量を算出する流入要求燃料量算出手段と、
燃料噴射弁による燃料噴射量を、前記筒内流入要求燃料量に基づいて算出する燃料噴射量算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量検出手段と、
少なくとも１サイクル分の最新の目標空燃比を記憶する目標空燃比記憶手段とを備え、
前記残留燃料量算出手段は、現サイクルにおける前記筒内残留ガス量を前サイクルにおける目標空燃比で除することにより、前記筒内残留燃料量を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
吸気の終了時点での筒内ガス量を算出する筒内ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記筒内ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除した値を筒内必要燃料量として算出する筒内必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記筒内必要燃料量から現サイクルにおける前記筒内残留燃料量を減ずることにより、前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量検出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記筒内ガス量算出手段は、現サイクルの前記筒内残留ガス量と現サイクルの前記吸入空気量とを加算することにより前記筒内ガス量を算出することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
筒内から排出される排出ガス量を算出する排出ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記排出ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除することにより排出必要燃料量を算出する排出必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記排出必要燃料量から現サイクルにおける筒内残留燃料量を減じた値に、次サイクルにおける筒内残留燃料量を加えることにより前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量算出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記排出ガス量算出手段は、現サイクルの吸入空気量に現サイクルの筒内残留ガス量を加えた値から、次サイクルの筒内残留ガス量を減ずることにより前記排出ガス量を算出することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項７】
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGR燃料量を算出するEGR燃料量算出手段と、
前記筒内EGR燃料量に基づいて、筒内から排出される排出ガスの空燃比が目標空燃比となるように、筒内流入要求燃料量を算出する流入要求燃料量算出手段と、
燃料噴射弁による燃料噴射量を、前記筒内流入要求燃料量に基づいて算出する燃料噴射量算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項８】
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量を算出するEGRガス量算出手段と、
所定サイクル分の最新の目標空燃比を記憶する目標空燃比記憶手段とを備え、
前記EGR燃料量算出手段は、現サイクルにおける前記筒内EGRガス量を、EGRガスの搬送遅れ分だけ遡ったサイクルにおける目標空燃比で除することにより、前記筒内EGR燃料量を算出することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項９】
吸気の終了時点での筒内ガス量を算出する筒内ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記筒内ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除した値を筒内必要燃料量として算出する筒内必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記筒内必要燃料量から現サイクルにおける前記筒内EGR燃料量を減ずることにより、前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする請求項７または８記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１０】
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量を算出するEGRガス量算出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記筒内ガス量算出手段は、現サイクルの前記筒内EGRガス量と現サイクルの前記吸入空気量とを加算することにより前記筒内ガス量を算出することを特徴とする請求項９記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。  
【請求項１１】
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
前サイクルの目標空燃比が理論空燃比であったか否かを判断するストイキ判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前サイクルの目標空燃比が理論空燃比であった場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１２】
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
前サイクルの目標空燃比と現サイクルの目標空燃比が同じであるか否かを判断する空燃比判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前サイクルの目標空燃比と現サイクルの目標空燃比が同じである場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１３】
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
筒内に吸入される新気ガスの空燃比精度を、筒内から排出される排出ガスの空燃比精度に優先させるべき燃焼優先状態が形成されているか否かを判断する状態判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記燃焼優先状態の形成が認められる場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に排出ガスの空燃比を精度良く制御するうえで好適な内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用の内燃機関は、一般に、排出ガスの浄化を目的とした触媒を排気通路に備えている。この種の触媒は、排出ガスの空燃比が理論空燃比付近に維持されることにより、優れた浄化能力を発揮する。このため、車載用の内燃機関においては、排出ガスの空燃比を目標空燃比とするための制御が広く実行されている。
【０００３】
最も一般的な構成としては、吸入空気量を計測するためのエアフロメータを吸気通路に備え、かつ、排出ガスの空燃比を計測する空燃比センサを排気通路に備えるものが知られている。また、このような構成を有する内燃機関において実行される制御としては、吸入空気量を理論空燃比で除することにより基本の燃料噴射量を算出し、その基本の燃料噴射量を空燃比センサの出力に基づいて修正する空燃比フィードバック制御が典型的なものとして知られている。
【０００４】
以上のような制御手法によれば、筒内に新たに吸入されるガスの空燃比を精度良く理論空燃比に制御することができる。そして、定常状態では、排出ガスの空燃比を精度良く理論空燃比とすることができる。ところが、筒内には、新規に吸入されるガスの他に、既燃ガスが存在していることがある。そして、内燃機関の運転状態が変化する過渡時においては、既燃ガスの空燃比と新規ガスの空燃比が一致しないのが通常である。
【０００５】
このような状況下では、新規ガスの空燃比を理論空燃比に制御しても、筒内に存在するガスの空燃比を全体として理論空燃比とすることはできない。従って、この場合は、理論空燃比から外れた空燃比を有する排出ガスが筒内から排気通路へ排出されることとなる。このように、上述した典型的な制御の手法によっては、内燃機関の過渡運転時において、排気空燃比の精度を維持することが困難である。
【０００６】
特開２００２−２１６１５号公報には、筒内ガスの空燃比を推定して、その推定の結果に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する手法が開示されている。より具体的には、ここには、筒内に吸入される新規ガスの空燃比と、筒内に残留する残留ガスの空燃比とに基づいて、筒内ガスの空燃比を推定し、その推定値に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する手法が開示されている。更に、ここには、筒内ガス空燃比の推定値を、排気通路に配置した空燃比センサの出力に基づいて補正する手法が開示されている。
【０００７】
上記公報に開示される手法によれば、筒内ガスの空燃比と目標空燃比との差を燃料噴射量に反映させることができる。このため、この手法によれば、上述した典型的な手法に比して、筒内ガスの制御精度を高めることができる。従って、この手法によれば、筒内から排出される排出ガスの空燃比精度を高めて、良好なエミッション特性を実現するうえで好適な状況を作り出すことができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２１６１５号公報
【特許文献２】特開２００２−３０９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記公報に開示される手法は、筒内に吸入される新規ガスを目標空燃比とするための基本噴射量に、上記の偏差に応じて設定されるフィードバック補正係数を掛け合わせることにより燃料噴射量を算出するものである。つまり、この手法は、あくまで、筒内ガスの空燃比と目標空燃比との偏差に応じて、新規ガスの空燃比を一定の規則でリッチ化或いはリーン化するものである。
【００１０】
筒内における既燃ガスの割合と新規ガスの割合は、内燃機関の運転状態に応じて変化する。新規ガスの割合が大きい場合には、上記のリッチ化或いはリーン化により筒内ガスの空燃比は大きく変動する。一方、新規ガスの割合が小さい場合は、上記のリッチ化或いはリーン化に伴って、筒内ガスの空燃比には小さな変化しか生じない。このため、上記公報に開示される手法によっても、内燃機関の過渡運転時において、筒内ガスの空燃比、つまり、排出ガスの空燃比を正確に目標空燃比に一致させることは困難である。
【００１１】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、筒内から排出される排出ガスの空燃比を、内燃機関の過渡運転時においても正確に目標空燃比に制御することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
吸気が開始される時点での筒内残留燃料量を算出する残留燃料量算出手段と、
前記筒内残留燃料量に基づいて、筒内から排出される排出ガスの空燃比が目標空燃比となるように、筒内流入要求燃料量を算出する流入要求燃料量算出手段と、
燃料噴射弁による燃料噴射量を、前記筒内流入要求燃料量に基づいて算出する燃料噴射量算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第２の発明は、第１の発明において、
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量検出手段と、
少なくとも１サイクル分の最新の目標空燃比を記憶する目標空燃比記憶手段とを備え、
前記残留燃料量算出手段は、現サイクルにおける前記筒内残留ガス量を前サイクルにおける目標空燃比で除することにより、前記筒内残留燃料量を算出することを特徴とする。
【００１４】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
吸気の終了時点での筒内ガス量を算出する筒内ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記筒内ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除した値を筒内必要燃料量として算出する筒内必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記筒内必要燃料量から現サイクルにおける前記筒内残留燃料量を減ずることにより、前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする。
【００１５】
また、第４の発明は、第３の発明において、
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量検出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記筒内ガス量算出手段は、現サイクルの前記筒内残留ガス量と現サイクルの前記吸入空気量とを加算することにより前記筒内ガス量を算出することを特徴とする。
【００１６】
また、第５の発明は、第１または第２の発明において、
筒内から排出される排出ガス量を算出する排出ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記排出ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除することにより排出必要燃料量を算出する排出必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記排出必要燃料量から現サイクルにおける筒内残留燃料量を減じた値に、次サイクルにおける筒内残留燃料量を加えることにより前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする。
【００１７】
また、第６の発明は、第５の発明において、
吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出する残留ガス量算出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記排出ガス量算出手段は、現サイクルの吸入空気量に現サイクルの筒内残留ガス量を加えた値から、次サイクルの筒内残留ガス量を減ずることにより前記排出ガス量を算出することを特徴とする。
【００１８】
また、第７の発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGR燃料量を算出するEGR燃料量算出手段と、
前記筒内EGR燃料量に基づいて、筒内から排出される排出ガスの空燃比が目標空燃比となるように、筒内流入要求燃料量を算出する流入要求燃料量算出手段と、
燃料噴射弁による燃料噴射量を、前記筒内流入要求燃料量に基づいて算出する燃料噴射量算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、第８の発明は、第７の発明において、
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量を算出するEGRガス量算出手段と、
所定サイクル分の最新の目標空燃比を記憶する目標空燃比記憶手段とを備え、
前記EGR燃料量算出手段は、現サイクルにおける前記筒内EGRガス量を、EGRガスの搬送遅れ分だけ遡ったサイクルにおける目標空燃比で除することにより、前記筒内EGR燃料量を算出することを特徴とする。
【００２０】
また、第９の発明は、第７または第８の発明において、
吸気の終了時点での筒内ガス量を算出する筒内ガス量算出手段と、
現サイクルにおける前記筒内ガス量を現サイクルにおける目標空燃比で除した値を筒内必要燃料量として算出する筒内必要燃料量算出手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記筒内必要燃料量から現サイクルにおける前記筒内EGR燃料量を減ずることにより、前記筒内流入要求燃料量を算出することを特徴とする。
【００２１】
また、第１０の発明は、第９の発明において、
外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量を算出するEGRガス量算出手段と、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段とを備え、
前記筒内ガス量算出手段は、現サイクルの前記筒内EGRガス量と現サイクルの前記吸入空気量とを加算することにより前記筒内ガス量を算出することを特徴とする。
【００２２】
また、第１１の発明は、第１乃至第１０の発明の何れかにおいて、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
前サイクルの目標空燃比が理論空燃比であったか否かを判断するストイキ判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前サイクルの目標空燃比が理論空燃比であった場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする。
【００２３】
また、第１２の発明は、第１乃至第１１の発明の何れかにおいて、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
前サイクルの目標空燃比と現サイクルの目標空燃比が同じであるか否かを判断する空燃比判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前サイクルの目標空燃比と現サイクルの目標空燃比が同じである場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする。
【００２４】
また、第１３の発明は、第１乃至第１２の発明の何れかにおいて、
筒内に吸入される吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
筒内に吸入される新気ガスの空燃比精度を、筒内から排出される排出ガスの空燃比精度に優先させるべき燃焼優先状態が形成されているか否かを判断する状態判断手段とを備え、
前記流入要求燃料量算出手段は、前記燃焼優先状態の形成が認められる場合は、前記吸入空気量を現サイクルの目標空燃比で除した値を前記筒内流入要求燃料量として算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
第１の発明によれば、吸気が開始される時点で生じている筒内残留燃料量を算出することができる。筒内残留燃料量が判ると、過渡運転時においても、筒内から排出される排出ガスの空燃比を目標空燃比とするために必要な筒内流入要求燃料量を正確に算出することができる。本発明によれば、その筒内流入要求燃料量に基づいて燃料噴射量が算出されるため、過渡運転時においても、排出ガスの空燃比を精度良く目標空燃比とすることができる。
【００２６】
第２の発明によれば、吸気が開始される時点での筒内残留ガス量を算出することができる。筒内残留ガスの空燃比は、前サイクルの目標空燃比に制御されている。本発明によれば、現サイクルの筒内残留ガス量として算出された値を、前サイクルの目標空燃比で除することにより、筒内残留燃料量を正確に算出することができる。
【００２７】
第３の発明によれば、吸気の終了時点での筒内ガス量を算出し、その値を目標空燃比で除することにより、筒内ガスを目標空燃比とするのに必要な燃料量、つまり、筒内必要燃料量を算出することができる。更に、本発明によれば、筒内必要燃料量から、既に筒内に存在している筒内残留燃料量を減ずることにより、筒内流入要求燃料量を正確に算出することができる。
【００２８】
第４の発明によれば、吸気が開始される時点で筒内に既に存在している筒内残留ガス量に、吸気の過程で筒内に吸入される吸入空気量を加えることにより、筒内ガス量を正確に算出することができる。
【００２９】
第５の発明によれば、筒内から排出される排出ガス量を算出し、その値を現サイクルの目標空燃比で除することにより、排出ガスを目標空燃比とするのに必要な燃料量、つまり、排出必要燃料量を算出することができる。筒内から排出される燃料量は、筒内に存在する全燃料量から、筒内に残留して次サイクルの筒内残留燃料量となる量を減じた値となる。一方、筒内の全燃料量は、現サイクルにおいて筒内に流入する燃料量と、現サイクルにおける筒内残留燃料量とを加えた値となる。従って、排出必要燃料量を実現する筒内流入要求燃料量は、排出必要燃料量から現サイクルの筒内残留燃料量を減じた値に、次サイクルの筒内残留燃料量を加えた値となる。本発明によれば、上記の演算規則に従うことにより、排出必要燃料量を正確に算出することができる。
【００３０】
第６の発明によれば、吸気が開始される時点で既に存在している筒内残留ガス量（現サイクルの筒内残留ガス量）に、吸気の過程で筒内に吸入される吸入空気量を加えた値（筒内の全ガス量）から、次サイクルの筒内残留ガス量となる量を減ずることにより、筒内からの排出ガス量を正確に算出することができる。
【００３１】
第７の発明によれば、外部EGRにより筒内に供給される筒内EGR燃料量を算出することができる。筒内EGR燃料量が判ると、過渡運転時においても、筒内から排出される排出ガスの空燃比を目標空燃比とするために必要な筒内流入要求燃料量を正確に算出することができる。本発明によれば、その筒内流入要求燃料量に基づいて燃料噴射量が算出されるため、過渡運転時においても、排出ガスの空燃比を精度良く目標空燃比とすることができる。
【００３２】
第８の発明によれば、外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量を算出することができる。筒内EGRガスの空燃比は、EGRガスの搬送遅れ分だけ遡ったサイクルにおける目標空燃比に制御されている。本発明によれば、筒内EGRガス量を、そのサイクルにおける目標空燃比で除することにより、筒内EGR燃料量を正確に算出することができる。
【００３３】
第９の発明によれば、吸気の終了時点での筒内ガス量を算出し、その値を目標空燃比で除することにより、筒内ガスを目標空燃比とするのに必要な燃料量、つまり、筒内必要燃料量を算出することができる。更に、本発明によれば、筒内必要燃料量から、外部EGRにより供給される筒内EGR燃料量を減ずることにより、筒内流入要求燃料量を正確に算出することができる。
【００３４】
第１０の発明によれば、外部EGRにより筒内に供給される筒内EGRガス量に、吸気の過程で筒内に吸入される吸入空気量を加えることにより、筒内ガス量を正確に算出することができる。
【００３５】
第１１の発明によれば、前サイクルの目標空燃比が理論空燃比であった場合は、吸入空気量を目標空燃比で除した値、つまり、新規ガスを目標空燃比とするための値を筒内流入要求燃料量として、燃料噴射量を算出することができる。内燃機関に対する現サイクルの要求が排気エミッションの低減である場合は、現サイクルの目標空燃比も理論空燃比となる。この場合、上記の算出手法によれば、排出ガスの空燃比を理論空燃比とする燃料噴射量を正確に算出することができる。内燃機関に対する現サイクルの要求が、排気エミッションの低減ではなく、所望の運転状態の実現である場合は、現サイクルの目標空燃比がその運転状態に応じた値に設定される。この際、上記の算出手法によれば、燃料噴射量は、既燃ガスの影響を無視して、新規ガスの空燃比がその目標空燃比となるように決定される。既燃ガスは燃焼にはさほど寄与しないため、内燃機関を所望の運転状態とするためには、筒内ガスの空燃比を正確に制御するより、むしろ、新規ガスの空燃比を正確に制御すること望ましい。本発明によれば、目標空燃比が理論空燃比から外れる状況下で、上記の要求を満たして良好な制御精度を実現することができる。
【００３６】
第１２の発明によれば、前サイクルの目標空燃比と現サイクルの目標空燃比が同じであった場合は、吸入空気量を目標空燃比で除した値、つまり、新規ガスを目標空燃比とするための値を筒内流入要求燃料量として、燃料噴射量を算出することができる。前サイクルから現サイクルにかけて目標空燃比が変化していない場合は、上記の算出手法により、排出ガスを目標空燃比とする燃料噴射量を算出することができる。このため、本発明によれば、排出ガスの空燃比を目標空燃比とするための演算負荷の低減を図ることができる。
【００３７】
第１３の発明によれば、新気ガスの空燃比精度を、排出ガスの空燃比精度に優先させるべき燃焼優先状態が形成されていると判断される場合には、新規ガスを目標空燃比とするための燃料噴射量を算出することができる。このため、本発明によれば、燃焼優先状態の形成下では、排気空燃比に捕らわれることなく、内燃機関を所望の運転状態とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。図１に示す構成は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量Gaを検出するためのエアフロメータ１６が配置されている。エアフロメータ１６の下流には、スロットルバルブ１８が設けられている。また、スロットルバルブ１８の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルセンサ２０が配置されている。吸気通路１２には、更に、内燃機関１０の吸気ポート２２に燃料を噴射するための燃料噴射弁２４が配置されている。
【００３９】
内燃機関１０は、吸気弁２６および排気弁２８を備えている。吸気弁２６および排気弁２８には、それぞれ、それらの駆動源として可変バルブタイミング（VVT）機構３０，３２が連結されている。VVT機構３０，３２は、外部から供給される指令に応じて、それぞれ吸気弁２６或いは排気弁２８の開弁タイミングVTを変化させることができる。
【００４０】
排気通路１４には、排出ガスを浄化するための触媒３４が配置されている。触媒３４は、排出ガスの空燃比AFReが理論空燃比の近傍値に維持されることにより、長期安定的に排出ガスを浄化することができる。触媒３４の上流には、空燃比センサ３６が配置されている。空燃比センサ３６は、内燃機関１０から排出されてくる排出ガスの空燃比AFReに応じた出力を発するセンサである。
【００４１】
本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)４０を備えている。ECU４０には、上述した各種センサに加えて、冷却水温THWを検出する水温センサ４２、機関回転数Neを検出する回転数センサ４４などが接続されている。ECU４０は、それらのセンサの出力等に基づいて、燃料噴射弁２４やVVT３０，３２等のアクチュエータを駆動することができる。
【００４２】
［実施の形態１における燃料噴射制御の考え方］
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態１における燃料噴射制御の考え方について説明する。図２は、内燃機関１０の目標空燃比AFRがリッチ空燃比（１２．５）から理論空燃比（１４．５）に変化した場合の現象を説明するための図である。
【００４３】
より具体的には、図２（Ａ）は、筒内に流入する新規ガスの空燃比AFRcが目標空燃比AFRと一致するように燃料噴射量fiを変化させた場合の現象を説明するための図である。一方、図２（Ｂ）は、筒内から排出される排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFRと一致するように燃料噴射量fiを変化させた場合の現象を説明するための図である。
【００４４】
燃料噴射量fiを算出する手法としては、吸入空気量Gaの実測値を目標空燃比AFRで除することにより基本の筒内流入要求燃料量fcbase＝Ga／AFRを算出し、その値に修正を加えることにより燃料噴射量fiを得る手法が一般的である。この手法によれば、目標空燃比がリッチ空燃比から理論空燃比に変化した場合に、図２（Ａ）に示すような現象が実現されることがある。
【００４５】
すなわち、図２（Ａ）は、目標空燃比AFRがリッチ空燃比から理論空燃比に変化した時点で、内燃機関１０の筒内にリッチ空燃比の残留ガスが残存していた状態を示している。筒内に残留ガス残存している場合、排出ガスの空燃比AFReは、新規ガスと筒内残留ガスとの混合ガスの空燃比となる。従って、この場合、新規ガスの空燃比AFRcが理論空燃比であっても、排出ガスの空燃比は、リッチに偏った値（例えば１３．０）となる。
【００４６】
内燃機関１０において、目標空燃比を理論空燃比とするのは、触媒３４の浄化能力を長期安定的に維持して、良好なエミッション特性を得るためである。このため、目標空燃比が理論空燃比とされる状況下では、多くの場合、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比、つまり、理論空燃比に一致させることが望まれる。そして、上述した一般的な手法によっては、必ずしもこの要求を的確に満たすことができない。
【００４７】
図２（Ｂ）は、目標空燃比AFRがリッチ空燃比から理論空燃比に変化した直後に、排出ガスの空燃比AFReを理論空燃比とするための条件の一例を示した図である。すなわち、図２（Ｂ）は、目標空燃比がリッチ空燃比から理論空燃比に変化した直後に、リッチな筒内残留ガスの存在を前提として、新規ガスの空燃比AFRcをリーン空燃比（ここでは１５．５）とした状態を示している。
【００４８】
リッチな筒内残留ガスが存在している場合に、新規ガスの空燃比を適切にリーン化することができれば、筒内ガスの空燃比を全体として理論空燃比とすることができ、その結果、図２（Ｂ）に示すように、排出ガスの空燃比AFReを理論空燃比とすることができる。そこで、本実施形態のシステムでは、筒内残留ガスの影響を考慮して、より厳密には、筒内に残留する燃料量を考慮して、排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFRとなるように、燃料噴射量fiを算出することを原則とした。
【００４９】
［燃料噴射量fiの算出手法］
（筒内流入要求燃料量fcの算出手法）
本実施形態のシステムは、所望の運転状態を実現するために筒内に流入させるべき燃料量（以下、「筒内流入要求燃料量fc」と称す）を算出したうえで、その筒内流入要求燃料量fcを発生させるのに必要な燃料量を燃料噴射量fiとして算出することとしている。ここでは、先ず、筒内流入要求燃料量fcの算出手法について説明する。
【００５０】
図３は、本実施形態における筒内流入要求燃料量fcの算出手法を説明するための図である。図３において、符号「fw」は、噴射された燃料のうち、吸気ポート２２や吸気弁２６に付着して筒内に吸入されない燃料の量を表している。また、符号「Gr」および「fr」は、それぞれ、各サイクルの吸気開始の時点で筒内に残留しているガス量および燃料量を表している。以下、これらをそれぞれ「筒内残留ガス量Gr」および「筒内残留燃料量fr」と称す。
【００５１】
内燃機関１０の筒内に流入する新規ガスの量は、吸入空気量Gaとして検知することができる。従って、新規ガスの空燃比AFRcは、筒内流入要求燃料量fcを用いて、次式のように表すことができる。
AFRc=Ga/fc                        ・・・（１）
【００５２】
上記（１）式より、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFRとするための筒内流入要求燃料量fcは、次式により表されることになる。
fc=Ga/AFRc
=Ga/AFR                         ・・・（２）
【００５３】
筒内から排出される排出ガスの空燃比AFReは、吸気が終了した時点での筒内ガスの空燃比と等しいと見なすことができる。そして、吸気の終了時点では、筒内に存在する燃料量がfc＋frとなり、また、筒内に存在するガス量がGa＋Grとなる。このため、排出ガスの空燃比AFReは次式のように表すことができる。
AFRe=(Ga+Gr)/(fc+fr)              ・・・（３）
【００５４】
上記（３）式より、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRとするための筒内流入要求燃料量fcは、以下のように表されることになる。
fc=(Ga+Gr)/AFRe-fr
=(Ga+Gr）/AFR-fr               ・・・（４）
【００５５】
（４）式により算出される筒内流入要求燃料量fcと、（２）式により算出される筒内流入要求燃料量fcとは、AFR=Gr/frが成立しない限り異なった値となる。つまり、（４）式により得られるfcと（２）式により得られるfcとは、目標空燃比AFRが一定である場合には同じ値になるが、その値が変化する過渡運転時には異なった値となる。以下、これらを区別するために、（４）式により算出される筒内流入要求量を符号「fc´」により表すこととする。
【００５６】
上記（４）式によれば、筒内流入要求燃料量fc´は、吸入空気量Gaと目標空燃比AFRに加えて、筒内残留ガス量Grと筒内残留燃料量frが判れば算出することができる。筒内残留ガス量Grおよび筒内残留燃料量frは、何れも、内燃機関１０の運転状態に対して相関を有している。このため、例えば、それらと内燃機関１０の運転状態との関係を事前に把握しておけば、筒内残留ガス量Grおよび筒内残留燃料量frは何れも車両上で推定することが可能である。そして、それらが推定されれば、上記（４）式に従って、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRとするための筒内流入要求燃料fc´を算出することが可能である。
【００５７】
（燃料噴射量fiの算出手法）
次に、筒内流入要求燃料量fcに基づいて、燃料噴射量fiを算出する手法の一例を説明する。図４は、燃料噴射量fiと筒内流入要求燃料量fcとの関係を表す燃料挙動モデルを説明するための図である。本実施形態のシステムは、このモデルを前提として、筒内流入要求燃料量fcに対応する燃料噴射量fiを算出する。
【００５８】
燃料噴射弁２４から噴射された燃料は、その一部が吸気ポート２２の壁面や吸気弁２６に付着し、その残部が筒内に流入する。噴射された燃料が壁面等に付着する割合を「付着率R」とすると、新たに噴射された燃料のうち、壁面等に付着する燃料の量は「R*fi」で表されることとなる。一方、噴射燃料のうち、筒内に吸入される燃料の量は「(1-R)*fi」で表されることとなる。
【００５９】
内燃機関１０の筒内には、燃料噴射弁２４から直接的に供給される燃料「(1-R)×fi」に加えて、壁面付着燃料の気化により生じた気化燃料が流入する。壁面付着燃料が壁面等に付着したままの状態で残る割合を「残留率P」とすれば、前サイクルにおいて生じていた壁面付着量fwのうち、「P*fw」で表される量は、壁面付着燃料のまま残ることとなり、一方、「(1-P)*fw」で表される量の燃料が筒内に吸入されることとなる。
【００６０】
従って、第kサイクルの開始時（例えば、吸気行程の開始時）における壁面付着量がfw(k)であり、第kサイクルにおける燃料噴射量がfi(k)である場合、第k+1サイクルにおける壁面付着量fw(k+1)は、次式（５）のように表すことができる。また、第kサイクルにおいて筒内に流入する燃料の量fc(k)は、次式（６）のように表すことができる。
fw(k+1)=P*fw(k)+R*fi(k)                    ・・・（５）
fc(k)=(1-P)*fw(k)+(1-R)*fi(k)              ・・・（６）
【００６１】
上記（６）式によれば、fc(k)の燃料を筒内に流入させるために必要な燃料噴射量fi(k)は、以下のように表すことができる。
fi(k)={fc(k)-(1-P)*fw(k)}/(1-R)            ・・・（７）
【００６２】
燃料の付着率Rおよび残留率Pは、内燃機関１０の運転状態に対して相関を有している。このため、例えば、それらと内燃機関１０の運転状態との関係を事前に把握しておけば、付着率Rおよび残留率Pは、何れも車両上で推定することが可能である。そして、それらが推定されれば、上記（７）式に従って、筒内流入要求燃料量fcを生じさせるための燃料噴射量fiを算出することができる。
【００６３】
本実施形態のシステムは、内燃機関１０の過渡運転時には、上記（４）式に従って、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比とするための筒内流入要求燃料量fc´を算出し、その筒内流入要求燃料量fc´を上記（７）式に代入することにより燃料噴射量fi(k)を算出する。このため、本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の過渡運転時においても、排出ガスの空燃比AFReを精度良く目標空燃比AFRに制御することが可能である。
【００６４】
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態において実行されるルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンは、内燃機関１０の気筒毎に実行される。また、個々の気筒に関するルーチンは、内燃機関１０が１サイクル動作する毎に、より具体的には、対象とする気筒において燃料噴射が開始される前の所定クランク角が実現される毎に起動されるものとする。
【００６５】
図５に示すルーチンでは、先ず、現在の内燃機関１０の状態を表す各種のパラメータが取得される（ステップ１００）。具体的には、ここでは、機関負荷KL（Ga、Ne、TAなどから算出）、機関回転数Ne、吸気弁２６の開閉タイミングVT、ポート内壁面温度Tw（THWから推定）、および目標空燃比AFRなどが取得される。
【００６６】
図５に示すルーチンでは、次に、残留率Pの算出と、付着率Rの算出とが実行される。ECU４０は、壁面付着燃料の残留率Pを、機関負荷KL、機関回転数Ne、吸気弁２６の開閉タイミングVT、およびポート内壁面温度Twとの関係で定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップを参照して、現在の運転状態に応じた残留率Pが算出される（ステップ１０２）。
【００６７】
ECU５０は、また、燃料の付着率Rを、機関負荷KL、機関回転数Ne、吸気弁２６の開閉タイミングVT、およびポート内壁面温度Twとの関係で定めたマップを記憶している。ここでは、そのマップを参照することにより、現在の運転状態に応じた付着率Rが算出される（ステップ１０４）。
【００６８】
次に、前サイクル（「k-1サイクル」とする）の目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比であったか否かが判別される（ステップ１０６）。その結果、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比であったと判別された場合は、現サイクル（「kサイクル」とする）の目標空燃比AFR(k)が如何なる値であるかによらず、以後ステップ１０８以降の処理が実行される。
【００６９】
ここで、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が理論空燃比であった場合は、前サイクルから現サイクルにかけて目標空燃比AFRが変わっていないと判断することができる。つまり、この場合は、目標空燃比AFRが一定であり、現サイクルの筒内残留ガス量Gr(k)と筒内残留燃料量fr(k)との比、つまり、現サイクルにおける筒内残留ガスの空燃比Gr(k)/fr(k)が、現サイクルの目標空燃比AFR(k)と一致していると判断することができる。そして、この場合は、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)とすれば、筒内ガスの空燃比を、つまり、排出ガスの空燃比AFReを、目標空燃比AFR(k)とすることが可能である（上記（２）式および（４）式参照）。
【００７０】
一方、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が理論空燃比でなかった場合は、内燃機関１０に対して、エミッションを度外視して運転状態を制御するべき要求が生じたと判断できる。理論空燃比に制御された既燃ガス中には、燃料の未燃成分も酸素も残らない。従って、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比であった場合は、筒内残留ガスは何ら燃焼には寄与しない。このような状況下で迅速に所望の運転状態を実現するためには、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)に制御することが適切である。
【００７１】
以上説明した通り、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比であった場合は、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が如何なる値であっても、現サイクルでは、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)に制御するべき要求が生ずる。このため、上記ステップ１０６において、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比であったと判断された場合は、上記（２）式に従って、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)とするための筒内流入要求燃料量fc(k)＝Ga(k)/AFR(k)が算出される（ステップ１０８）。
【００７２】
その後、上記（７）式に従って、現サイクルの筒内流入要求燃料量fc(k)を実現するための燃料噴射量fi(k)が算出される（ステップ１１０）。次いで、上記（５）式に従って、次サイクルの壁面付着燃料量fw(k+1)が算出される（ステップ１１２）。ECU４０は、上記の処理により算出された燃料噴射量fi(k)が実現されるように燃料噴射弁２４を制御する。その結果、新規ガスの空燃比AFRcが目標空燃比AFR(k)となり、所望の運転状態が実現される。
【００７３】
図５に示すルーチン中、ステップ１０６において、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)が理論空燃比でないと判別された場合は、次に、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)と同じであるかが判別される（ステップ１１４）。それらが同じであった場合は、筒内残留ガスの空燃比Gr(k)/fr(k)が、現サイクルの目標空燃比AFR(k)と等しく、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)とすれば、排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFR(k)と等しくなると判断できる。従って、この場合も、以後、ステップ１０８以降の処理が実行される。
【００７４】
以上の処理によれば、内燃機関１０の定常運転時において、排出ガスの空燃比AFReを、簡単な処理により正確に目標空燃比AFRとすることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、ECU４０の演算負荷を不当に過大とすることなく、優れたエミッション特性を実現することができる。
【００７５】
図５に示すルーチン中、ステップ１１４において、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)と同じでないと判別された場合は、内燃機関１０が過渡状態にあり、筒内残留ガスの空燃比Gr(k)/fr(k)が、現サイクルの目標空燃比AFR(k)と一致しないと判断できる。つまり、この場合は、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFR(k)としても、排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFR(k)にはならないと判断できる。
【００７６】
本実施形態のシステムは、このような状況下では、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに合わせることにより、良好なエミッション特性を実現することとしている。このために、上記１１４において否定的判断がなされた場合は、先ず、現サイクルにおける吸入空気量Ga(k)、筒内残留ガス量Gr(k)、および目標空燃比AFR(k)が検知される（ステップ１１６）。
【００７７】
吸入空気量Ga(k)および目標空燃比AFR(k)については、上記ステップ１００において取得した値を読み出すことで検知することができる。ECU４０は、内燃機関の運転状態と筒内残留ガス量Grとの関係を定めたマップを記憶している。このため、筒内残留ガス量Gr(k)は、そのマップを参照することにより検知することができる。
【００７８】
次に、現サイクルにおける筒内残留燃料量fr(k)が算出される（ステップ１１８）。現サイクルにおける筒内残留ガスの空燃比は、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)と等しいと見なすことができる。従って、現サイクルにおける筒内残留ガス量fr(k)は、現サイクルの筒内残留ガス量Gr(k)と前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)とを用いて、次式のように表すことができる。
fr(k)=Gr(k)/AFR(k-1)                        ・・・（８）
【００７９】
ECU４０は、少なくとも過去最新の目標空燃比AFRを記憶しておく機能を有しており、現サイクルにおいて、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)を読み出すことができる。上記ステップ１１８では、そのようにして読み出したAFR(k-1)と、マップから読み出したGr(k)とを（８）式に代入することにより、現サイクルの筒内残留燃料量fr(k)が算出される。
【００８０】
図５に示すルーチンでは、次に、筒内残留燃料量fr(k)の影響を考慮して、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFR(k)とするための筒内流入要求燃料量fc´(k)が算出される（ステップ１２０）。具体的には、ここでは、吸入空気量Ga(k)、筒内残留ガス量Gr(k)、目標空燃比AFR(k)、および筒内残留燃料量fr(k)を上記（４）式に代入することにより、現サイクルの筒内流入要求燃料量fc´(k)=(Ga(k)+Gr(k))/AFR(k)-fr(k)が算出される。
【００８１】
ステップ１２０の処理が実行された場合は、そこで算出された筒内流入要求燃料量fc´(k)が、以後ステップ１１０において上記（７）式に代入される。その結果、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFR(k)に合わせることのできる燃料噴射量fi(k)が算出される。特に、上記の処理によれば、目標空燃比AFRが理論空燃比でない値から理論空燃比に戻された場合に、その後迅速に排出ガスの空燃比AFReを理論空燃比に戻すことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、過渡運転時におけるエミッション特性の悪化を十分に抑制することができる。
【００８２】
ところで、上述した実施の形態１においては、筒内流入要求燃料量fcまたはfc´に基づいて燃料噴射量fiを算出する手法が、図４に示す燃料挙動モデル（PRモデル）を前提とする手法に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、筒内流入要求燃料量fcまたはfc´を基礎として燃料噴射量fiを算出する手法は、如何なる方法であってもよい。この点は、以下に説明する他の実施形態についても同様である。
【００８３】
また、上述した実施の形態１においては、燃料噴射の手法がポート噴射の手法に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、筒内噴射式の内燃機関１０に対して適用することも可能である。この点も、以下に記述する他の実施形態について同様である。
【００８４】
また、上述した実施の形態１においては、ステップ１１４において否定的判定がなされた場合は、常に排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFR(k)とするための燃料噴射量fi(k)を算出することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFR(k)とするための処理は、現サイクルの目標空燃比AFR(k)が理論空燃比である場合に限って実行することとしてもよい。以上の変形が可能である点は、以下に説明する他の実施形態についても同様である。
【００８５】
尚、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１１８の処理を実行することにより前記第１の発明における「残留燃料量算出手段」が、ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料噴射量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８６】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１１６の処理を実行することにより前記第２の発明における「残留ガス量検出手段」が、前サイクルの目標空燃比AFR(k-1)を記憶しておくことにより前記第２の発明における「目標空燃比記憶手段」が、ステップ１１８の処理を実行することにより前記第２の発明における「残留燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８７】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１２０において「Ga(k)+Gr(k)」なる演算を行うことにより前記第３の発明における「筒内ガス量算出手段」が、その算出値を用いて「{Ga(k)+Gr(k)}/AFR(k)」なる演算を行うことにより前記第３の発明における「筒内必要燃料量算出手段」が、更にその算出値を用いて「{Ga(k)+Gr(k)}/AFR(k)-fr(k)」なる演算を行うことにより前記第３の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８８】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１１６の処理を実行することにより前記第４の発明における「残留ガス量検出手段」および「吸入空気量検知手段」が、ステップ１２０において「Ga(k)+Gr(k)」なる演算を行うことにより前記第４の発明における「筒内ガス量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８９】
また、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１００の処理を実行することにより前記第１１の発明における「吸入空気量検知手段」が、ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１１の発明における「ストイキ判断手段」が、ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１１の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００９０】
更に、上述した実施の形態１においては、ECU４０が、ステップ１００の処理を実行することにより前記第１２の発明における「吸入空気量検知手段」が、ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１２の発明における「空燃比判断手段」が、ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１２の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００９１】
実施の形態２．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに一致させるための筒内流入要求燃料量fc´の算出方法が異なる点を除いて、実施の形態１のシステムと同様である。このシステムは、図１に示すシステム構成において、ECU４０に、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００９２】
［実施の形態２における筒内流入要求燃料量fc´の算出手法］
図６は、本実施形態における筒内流入要求燃料量fc´の算出手法を説明するための図である。図６において、符号「Gex」は、１サイクルの運転に伴って筒内から排出される排出ガスの流量である。また、符号「fex」は、所望の噴射制御が実現された場合に、その排出ガスと共に排出される燃料の量である。以下、これらをそれぞれ「排出ガス量Gex」および「排出必要燃料量fex」と称す。
【００９３】
現サイクル（kサイクルとする）の開始時にGr(k)で表される筒内残留ガス量が生じており、現サイクルの吸気行程中にGa(k)で表される空気量が吸入されたとすると、現サイクルの吸気行程終了時における筒内総ガス量はGa(k)+Gr(k)で表される量となる。内燃機関１０の排気行程では、筒内総ガス量Ga(k)+Gr(k)の一部が排出ガス量として排出され、その残部が次サイクルの筒内残留ガス量Gr(k+1)となる。従って、現サイクルの排出ガス量Gex(k)は、次式のように表すことができる。
Gex(k)=Ga(k)+Gr(k)-Gr(k+1)                ・・・（９）
【００９４】
他方、現サイクルの開始時における筒内残留燃料量がfr(k)であり、現サイクルの終了時における筒内残留燃料量、つまり、次サイクルの筒内残留燃料量がfr(k+1)であるとすれば、現サイクル中に筒内に流入する燃料量fc´(k)と、現サイクル中における排出必要燃料量fex(k)との関係は、次式のように表すことができる。
fex(k)=fc´(k)+fr(k)-fr(k+1)              ・・・（１０）
【００９５】
更に、現サイクルにおける排出ガスの空燃比AFRe(k)は、排出ガス量Gex(k)と排出必要燃料量fex(k)とを用いて次式のように表すことができる。
AFRe(k)=Gex(k)/fex(k)                                ・・・（１１）
【００９６】
従って、現サイクルにおける排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)とするための条件は、以下のように表すことができる。
AFR(k)=Gex(k)/fex(k)
={Ga(k)+Gr(k)-Gr(k+1)}/{fc´(k)+fr(k)-fr(k+1)}   ・・・（１２）
【００９７】
上記（１２）式は、以下のように整理することができる。
fc´(k)={Ga(k)+Gr(k)-Gr(k+1)}/AFR(k)-fr(k)+fr(k+1)     ・・・（１３）
【００９８】
つまり、現サイクルにおける排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)とするための条件は、現サイクル中に筒内に流入する燃料量fc´(k)を上記（１３）式で表される値とすることなる。換言すると、現サイクルにおける筒内流入要求燃料量fc´(k)を、上記（１３）式に従って算出すれば、現サイクルにおける排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)に一致させることが可能となる。
【００９９】
上記（１３）式中、吸入空気量Ga(k)は実測により取得することができる。目標空燃比AFR(k)は、内燃機関１０に対する要求に応じて定められる値である。また、筒内残留ガス量Gr(k)、Gr(k+1)並びに筒内残留燃料量fr(k)、fr(k+1)は、内燃機関１０の運転状態に基づいて推定することができる。このため、ECU４０は、上記（１３）式を用いて、現サイクルの排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)とするための筒内流入要求燃料量fc´(k)を正確に算出することができる。
【０１００】
［実施の形態２における具体的処理］
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてECU４０により実行されるルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンは、ステップ１１６〜１２０が、それぞれステップ１２２〜１２６に置き換えられている点を除き、図５に示すルーチンと同様である。
【０１０１】
すなわち、図７に示すルーチンによれば、ステップ１１４の条件の不成立が認められた場合に、Ga(k)、Gr(k)およびAFR(k)に加えて、次サイクルの筒内残留ガス量Gr(k+1)が取得される（ステップ１２２）。次サイクルの筒内残留ガス量Gr(k+1)は、現サイクルの筒内残留ガス量Gr(k)と同様に、内燃機関１０の運転状態と筒内残留ガス量Grとの関係を定めたマップを参照することにより取得することができる。
【０１０２】
次に、現サイクルの筒内残留燃料量fr(k)に加えて次サイクルの筒内残留燃料量fr(k+1)が算出される（ステップ１２４）。次サイクルの筒内残留燃料量fr(k+1)は、上記（８）式に従って、次サイクルの筒内残留ガス量Gr(k+1)を現サイクルの目標空燃比AFR(k)で除することにより算出することができる（fr(k+1)=Gr(k+1)/AFR(k)）。
【０１０３】
次いで、上記ステップ１２２および１２４の処理により取得したパラメータを上記（１３）式に代入することにより、筒内流入要求燃料量fc´(k)が算出される（ステップ１２６）。
【０１０４】
以上の処理によれば、サイクル毎に生ずる筒内残留燃料量frを考慮することでサイクル毎の排出必要燃料量fexを正確に把握し、そのうえで、排出ガス量Gexと排出必要燃料量fexとの比が目標空燃比AFRとなるように筒内流入要求燃料量fc´を求めることができる。このため、本実施形態のシステムによっても、実施の形態１の場合と同様に、内燃機関１０の過渡運転時において、排出ガスの空燃比AFReを正確に目標空燃比AFRに一致させるための燃料噴射量fiを算出することができる。
【０１０５】
尚、上述した実施の形態２においては、ECU４０が、ステップ１２２において筒内残留ガス量Gr(k)およびGr(k+1)を算出することにより前記第５の発明における「排出ガス量算出手段」が、ステップ１２６において「Ga(k)+Gr(k)-Gr(k+1)}/AFR(k)」なる演算を行うことにより前記第５の発明における「排出必要燃料量算出手段」が、その結果得られた値を用いて（１３）式の演算を完遂することにより前記第５の発明における「流入要求燃料量算出手段」がそれぞれ実現されている。
【０１０６】
また、上述した実施の形態２においては、ECU４０が、ステップ１２２においてGr(k)およびGr(k+1)を検出することにより前記第６の発明における「残留ガス量算出手段」が、ステップ１２２においてGa(k)を検出することにより前記第６の発明における「吸入空気量検知手段」が、ステップ１２６において「Ga(k)+Gr(k)-Gr(k+1)」なる演算を行うことにより前記第６の発明における「排出ガス量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【０１０７】
実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図８は、本実施形態のシステムの構成上の特徴、および本実施形態における燃料噴射制御の考え方を説明するための図である。より具体的には、図８（Ａ）は、本実施形態のシステムにおいて、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFRに制御した場合の現象を説明するための図である。また、図８（Ｂ）は、本実施形態のシステムにおいて、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに制御した場合の状態を表した図である。
【０１０８】
図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、本実施形態のシステムは、EGR(Exhaust Gas Recirculation)通路５０およびEGR弁５２を備えている。この点を除いて、本実施形態のシステムは、実施の形態１のシステムと同様のハードウェア構成を有している。EGR通路５０は、一端が排気通路１４に連通し、他端が吸気通路１２に連通している。EGR弁５２は、EGR通路５０の途中に配置されており、ECU４０（図１参照）に制御されることにより、所望の開度を実現することができる。
【０１０９】
内燃機関１０の運転中は、排気通路１４の圧力が吸気通路１２の圧力に比して高くなる。このため、EGR弁５２を開くと、排気通路中の既燃ガスを吸気通路１２に還流させることができる。既燃ガスを吸気通路１２に還流させると、新規ガスと共に既燃ガスを筒内に流入させることができる。新規ガス中に適量の既燃ガスを混ぜると、筒内の燃焼温度を適度に下げてNOxの発生量を抑制することができる。ECU４０は、内燃機関１０の運転中に、必要に応じて、適用の既燃ガスが筒内に流入するようにEGR弁５２を制御する。
【０１１０】
以上説明した通り、EGR通路５０およびEGR弁５２によれば、内燃機関１０の外部を通して排気通路１４中の既燃ガスを筒内１０に循環させることができる。内燃機関１０においては、排気通路１４に排出されなかった既燃ガスや、一旦は排気通路１４に排出されたがバルブオーバーラップの間に再び筒内に吸い戻された既燃ガスなどが筒内に残存することがある。以下、これらを区別するために、前者を「外部EGR」と称し、後者を「内部EGR」と称することとする。
【０１１１】
上述した実施の形態１のシステムは、内部EGRにより生ずる筒内残留燃料量frの影響を考慮することにより、排出ガスの空燃比精度を高めようとするものである。これに対して、外部EGRの機能を有するシステムにおいて、実施の形態１の場合と同様に、排出ガスの空燃比を精度良く制御しようとすれば、外部EGRにより筒内に供給される筒内EGR燃料量fegrを考慮して燃料噴射制御を行う必要がある。
【０１１２】
すなわち、図８（Ａ）は、目標空燃比AFRがリッチ空燃比（例えば１２．５）から理論空燃比に変化した際に、筒内EGR燃料量fegrの影響を考慮することなく、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比に追従させた場合を例示している。この場合、新規ガスの空燃比AFRcが理論空燃比であっても、筒内には、その新規ガスと共にリッチなEGRガスが流入するため、排出ガスの空燃比AFReはリッチに偏った値（例えば１３．０）となる。
【０１１３】
一方、図８（Ｂ）は、目標空燃比AFRがリッチ空燃比から理論空燃比に変化した直後に、筒内EGR燃料量fegrの影響を考慮して、新規ガスの空燃比AFRcがリーン空燃比（ここでは１５．５）となるように燃料噴射量fiを制御した場合を例示している。ここでは、リーンな新規ガスとリッチなEGRガスとが筒内で混合されることにより、排出ガスの空燃比AFReが理論空燃比とされている。本実施形態のシステムは、原則として、その状態が形成されるように燃料噴射量fiを算出する点に特徴を有している。
【０１１４】
［実施の形態３における具体的処理］
図９は、上記の機能を実現するために本実施形態において実行されるルーチンのフローチャートである。図９に示すルーチンは、ステップ１１６〜１２０が、それぞれステップ１３０〜１３４に置き換えられている点を除き、図５に示すルーチンと同様である。
【０１１５】
すなわち、図９に示すルーチンによれば、ステップ１１４の条件の不成立が認められた場合に、現サイクルの吸入空気量Ga(k)および目標空燃比AFR(k)に加えて、現サイクルにおける筒内EGRガス量Gegr(k)が取得される（ステップ１３０）。筒内EGRガス量Gegr(k)は、内燃機関１０の運転状態に基づいて、予め決められた規則に従って決定される値である。ここでは、その規則に従って決定された筒内EGRガス量Gegr(k)が取得される。
【０１１６】
次に、外部EGRに起因して筒内に流入する既燃燃料量、つまり、現サイクルにおける筒内EGR燃料量fegr(k)が算出される（ステップ１３２）。筒内EGR燃料量fegr(k)は、筒内EGRガス量Gegr(k)を、現サイクル中に筒内に流入するEGRガスの空燃比AFRegr(k)で除することにより、以下のように算出することができる。
fegr(k)=Gegr(k)/AFRegr(k)                  ・・・（１４）
【０１１７】
ここで、現サイクルにおけるEGRガスの空燃比AFRegr(k)は、EGRガスの搬送に要するサイクル数degr分だけ、現時点から遡ったサイクル（k-degrサイクル）において、筒内から排気通路１４に排出された排出ガスである。このため、その空燃比AFRegr(k)は、第k-degrサイクルにおける目標空燃比AFR(k-degr)と見なすことができる。
【０１１８】
EGRガスの搬送に要するサイクル数degrは、内燃機関１０の運転状態履歴より正確に推定することができる。また、本実施形態におけるECU４０は、過去の目標空燃比AFR(k-i)を十分な数だけ記憶している。このため、ECU４０は、上記ステップ１３２において、第k-degrサイクルにおける目標空燃比AFR(k-degr)を読み出したうえで、そのAFR(k-degr)により現サイクルの筒内EGRガス量Gegr(k)を除することにより、現サイクルにおける筒内EGR燃料量fegr(k)を以下のように算出することができる。
fegr(k)=Gegr(k)/AFR(k-degr)                ・・・（１５）
【０１１９】
図９に示すルーチンでは、次に、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFR(k)とするための筒内要求燃料量fc´(k)が算出される（ステップ１３４）。現サイクルの吸気終了時点での筒内総ガス量はGa(k)+Gegr(k)と表すことができる。また、現サイクル中に筒内に流入する噴射燃料がfc´(k)であるとすれば、現サイクルの吸気終了時点での筒内総燃料量はfc´(k)+fegr(k)と表すことができる。
【０１２０】
このため、筒内から排出される排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)とするための条件は、以下のように表すことができる。
AFR(k)=AFRe(k)
={Ga(k)+Gegr(k)}/{fc´(k)+fegr(k)}    ・・・（１６）
【０１２１】
上記（１６）式を整理すると、排出ガスの空燃比AFRe(k)を目標空燃比AFR(k)とするために筒内に流入させるべき噴射燃料の量fc´(k)は、つまり、その条件を満たすために現サイクルにおいて設定するべき筒内流入要求燃料量fc´(k)は、以下のように表すことができる。
fc´(k)= {Ga(k)+Gegr(k)}/AFR(k)-fegr(k)    ・・・（１７）
【０１２２】
上記ステップ１３４において、ECU４０は、上記（１７）式に、現サイクルにおける吸入空気量Ga(k)、筒内EGRガス量Gegr(k)、目標空燃比AFR(k)、および筒内EGR燃料量fegr(k)を代入することにより、筒内流入要求燃料量fc´(k)を算出する。以上の処理によれば、外部EGRの実行中において、筒内EGR燃料量fegrを考慮することにより、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに一致させるための筒内流入要求燃料量fc´を正確に算出することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、外部EGRの実行中においても、実施の形態１または２の場合と同様に、内燃機関１０の過渡運転中に、排出ガスの空燃比AFReを正確に目標空燃比AFRに一致させるための燃料噴射量fiを算出することができる。
【０１２３】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU４０が、ステップ１３２の処理を実行することにより前記第７の発明における「EGR燃料量算出手段」が、ステップ１３４の処理を実行することにより前記第７の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、ステップ１１０の処理を実行することにより前記第７の発明における「燃料噴射量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２４】
また、上述した実施の形態３においては、ECU４０が、ステップ１３０の処理を実行することにより前記第８の発明における「EGRガス量算出手段」が、degrサイクル前の目標空燃比AFR(k-degr)を記憶しておくことにより前記第８の発明における「目標空燃比記憶手段」が、ステップ１３２の処理を実行することにより前記第８の発明における「EGR燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２５】
また、上述した実施の形態３においては、ECU４０が、ステップ１３４において「Ga(k)+Gegr(k)」なる演算を行うことにより前記第９の発明における「筒内ガス量算出手段」が、その算出値を用いて「{Ga(k)+Gegr(k)}/AFR(k)」なる演算を行うことにより前記第９の発明における「筒内必要燃料量算出手段」が、更にその算出値を用いて「{Ga(k)+Gegr(k)}/AFR(k)-fegr(k)」なる演算を行うことにより前記第９の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２６】
また、上述した実施の形態３においては、ECU４０が、ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１０の発明における「EGRガス量算出手段」および「吸入空気量検知手段」が、ステップ１３４において「Ga(k)+Gegr(k)」なる演算を行うことにより前記第１０の発明における「筒内ガス量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【０１２７】
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図１０および図１１を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。図１０は、内燃機関１０の過渡運転時における新規ガスの空燃比AFRcと排出ガスの空燃比AFReを対比して表した図である。より具体的には、図１０（Ａ）は、目標空燃比をリッチ空燃比からリーン空燃比に変化させ、かつ、新規ガスの空燃比AFRcがその変化に追従するように燃料噴射量fiを制御した場合の現象を説明するための図である。一方、図１０（Ｂ）は、目標空燃比をリッチ空燃比から理論空燃比に変化させ、かつ、排出ガスの空燃比AFReがその変化に追従するように燃料噴射量fiを制御した場合の現象を説明するための図である。
【０１２８】
図１０（Ａ）に示すように、内燃機関１０の過渡運転時には、目標空燃比AFRの変化に対して、新規ガスの空燃比AFRcと排出ガスの空燃比AFReが異なる変化を示す。具体的には、それらは、最終的には同じ値に収束するものの、変化の過程においては、新規ガスの空燃比AFRcが排出ガスの空燃比AFReに比して急激な変化を示す。このため、図１０（Ｂ）に示すように、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに追従させるべく燃料噴射量fiを制御した場合は、新規ガスの空燃比AFRcが、目標空燃比AFRに対して大きなオーバーシュートを示し易い。
【０１２９】
上述した実施の形態１乃至３のシステムでは、内燃機関１０の過渡運転時には、原則として、排出ガスの空燃比AFReが目標空燃比AFRと一致するように燃料噴射量fiを算出することとしている。しかしながら、内燃機関１０に対しては、排出ガスの空燃比精度に優先して、新規ガスの空燃比精度を高めることが要求されることがある。以下、この要求を「燃焼優先要求」と称す。また、その要求とは逆の要求、つまり、排出ガスの空燃比精度を新規ガスの空燃比精度に優先して高めるべき要求を「排気優先要求」と称す。
【０１３０】
燃焼優先要求は、筒内での燃焼を安定化させるべき状況下、或いは、筒内での燃焼状態を正確に制御すべき状況下で発生する。具体的には、内燃機関１０の始動時、フューエルカットからの復帰直後、ドラビリ優先モードでの運転中、および燃費優先モードでの運転中などに燃焼優先要求が生ずる。
【０１３１】
一方、排気優先要求は、エミッション特性を良好に保つべき状況下、或いは、触媒３４に対して所望の空燃比に制御された排出ガスを流入させるべき状況下において発生する。具体的には、エミッションの低減が望まれる内燃機関１０の暖機時、触媒３４の被毒解除のために実行されるリッチスパイク制御時などに排気優先要求が生ずる。
【０１３２】
実施の形態１乃至３のシステムでは、燃焼優先要求の発生する状況下でも、過渡運転時には、原則として排気優先の手法で燃料噴射量fiが算出される。このため、これらのシステムによると、始動時やフューエルカットからの復帰直後において、内燃機関１０の運転状態が不安定となり、また、ドラビリを優先すべき状況下で良好なレスポンスが得られないといった事態が生じ得る。
【０１３３】
そこで、本実施形態のシステムでは、内燃機関１０の運転中に、燃焼優先要求が生じているか否かを逐次監視し、その発生の有無に応じて、燃料噴射量fiの算出手法を切り換えることとした。より具体的には、燃焼優先要求が生じている場合には、常に新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFRに一致させる手法により燃料噴射量fiを算出し、その要求が生じていない場合に限り、排出ガスの空燃比AFReを目標空燃比AFRに一致させるための算出手法を用いることとした。
【０１３４】
［実施の形態４における具体的手法］
図１１は、上記の機能を実現するために本実施形態において実行されるルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンは、ステップ１０２および１０４の後にステップ１４０が挿入されている点を除き、図５に示すルーチンと同様である。
【０１３５】
すなわち、図１１に示すルーチンによれば、ステップ１０２および１０４の処理により残留率Pおよび付着率Rが算出された後に、燃焼優先要求が生じているか否かが判別される（ステップ１４０）。ECU４０は、燃焼優先要求の生ずる運転状態を予め記憶しており、ここでは、それらの運転状態が実現されているか否かを判断する。
【０１３６】
上記の判別により、燃焼優先要求の発生が認められた場合は、以後、無条件でステップ１０８以降の処理が実行される。この場合、新規ガスの空燃比AFRcを目標空燃比AFRとするための燃料噴射量fiが算出され（ステップ１０８〜１１２）、その結果、燃焼優先の運転状態が実現される。
【０１３７】
一方、上記ステップ１４０において、燃焼優先要求が生じて以内と判別された場合は、ステップ１０６以降の処理が実行される。この場合、以後、実施の形態１の場合と同様の手順で燃料噴射量fiが算出される。
【０１３８】
以上の処理によれば、燃焼優先要求が生じている場合には、その要求を満たす手法で燃料噴射量fiを算出し、一方、燃焼優先要求が生じていない場合には、実施の形態１の場合と同様の規則に従い、必要に応じて排気優先の手順で燃料噴射量fiを算出することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、内燃機関１０の特性を適切に切り換えて、その動作特性を総合的に改善することができる。
【０１３９】
ところで、上述した実施の形態４においては、燃料噴射量fiの算出手法を切り換える制御を、実施の形態１の制御手法に組み合わせることとしているが、その組み合わせの対象は、実施の形態１の制御手法に限定されるものではない。すなわち、燃料噴射量fiの算出手法を切り換える制御は、実施の形態２或いは３における制御手法と組み合わせることとしてもよい。
【０１４０】
また、上述した実施の形態４においては、燃焼優先要求の発生のみを監視して、排気優先要求の発生は監視しないこととしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、排気優先要求の発生を監視したうえで、その発生が認められる場合には、無条件でステップ１１６以降の処理を実行させることとしてもよい。
【０１４１】
尚、上述した実施の形態４においては、ECU４０が、図１１に示すステップ１００の処理を実行することにより前記第１３の発明における「吸入空気量検知手段」が、ステップ１４０の処理を実行することにより前記第１３の発明における「状態判断手段」が、ステップ１４０の処理に続いてステップ１０８および１１０の処理を実行することにより前記第１３の発明における「流入要求燃料量算出手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１における燃料噴射制御の考え方を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１における筒内流入要求燃料量fcの算出手法を説明するための図である。
【図４】燃料噴射量fiと筒内流入要求燃料量fcとの関係を表す燃料挙動モデルを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２における筒内流入要求燃料量fc´の算出手法を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態３のシステムの構成上の特徴、および本発明の実施の形態３における燃料噴射制御の考え方を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１０】内燃機関の過渡運転時における新規ガスの空燃比AFRcと排出ガスの空燃比AFReを対比して表した図である。
【図１１】本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４３】
１０  内燃機関
１２  吸気通路
１４  排気通路
１６  エアフロメータ
２４  燃料噴射弁
２６  吸気弁
２８  排気弁
４０  ECU(Electronic Control Unit)
AFR  目標空燃比
AFRc  新規ガスの空燃比
AFRe  排出ガスの空燃比
Ga  吸入空気量
fi  燃料噴射量
fw  壁面付着燃料
fc，fc´  筒内流入要求燃料量
Gr  筒内残留ガス量
fr  筒内残留燃料量
P  残留率
R  付着率
Gex  排出ガス量
fex  排出必要燃料量
Gegr  筒内EGRガス量
fegr  筒内EGR燃料量
【図１】
2006017051.tif 000003
【図２】
2006017051.tif 000004
【図３】
2006017051.tif 000005
【図４】
2006017051.tif 000006
【図５】
2006017051.tif 000007
【図６】
2006017051.tif 000008
【図７】
2006017051.tif 000009
【図８】
2006017051.tif 000010
【図９】
2006017051.tif 000011
【図１０】
2006017051.tif 000012
【図１１】
2006017051.tif 000013